📄Работа №198646
Тема: Разработка алгоритма управления движением малого летательного аппарата вблизи земли при взлёте
Характеристики работы
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
Автоматика и управление
Объем:
83 листов
Год:
2021
Просмотров:
43
4830
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ
1.1 Постановка задачи движения малого ЛА 7
1.2 Математическое описание модели 8
1.3 Обзор методов управления и стабилизации малого ЛА 13
1.4 . Оценка скорости в режиме подъема 16
Выводы по первой главе 17
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 18
2.1 Реализация системы управления тягой маршевого двигателя 18
2.2 Реализация системы стабилизации углового положения малого ЛА ... 22
2.3 Оценка скорости 28
2.4 Объединение режимов работы в общую схему моделирования 30
Выводы по второй главе 31
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ В
РЕЖИМАХ ПОДЪЕМА И СТАБИЛИЗАЦИИ 32
3.1 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме подъема 33
3.2 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме
стабилизации 37
3.3 Моделирование движения ЛА в общей схеме 42
Выводы по третьей главе 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 56
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ
1.1 Постановка задачи движения малого ЛА 7
1.2 Математическое описание модели 8
1.3 Обзор методов управления и стабилизации малого ЛА 13
1.4 . Оценка скорости в режиме подъема 16
Выводы по первой главе 17
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 18
2.1 Реализация системы управления тягой маршевого двигателя 18
2.2 Реализация системы стабилизации углового положения малого ЛА ... 22
2.3 Оценка скорости 28
2.4 Объединение режимов работы в общую схему моделирования 30
Выводы по второй главе 31
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ В
РЕЖИМАХ ПОДЪЕМА И СТАБИЛИЗАЦИИ 32
3.1 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме подъема 33
3.2 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме
стабилизации 37
3.3 Моделирование движения ЛА в общей схеме 42
Выводы по третьей главе 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 56
📖 Аннотация
В данной работе разработан алгоритм управления движением малого летательного аппарата (ЛА) вблизи земли на этапе взлёта, направленный на решение задач стабилизации и поддержания заданной траектории. Актуальность исследования обусловлена сложностью управления на начальном участке полёта, где ключевым дестабилизирующим фактором является эксцентриситет реактивной силы маршевого двигателя, способный привести к значительному боковому смещению и потере устойчивости. Основные результаты заключаются в синтезе и сравнительном анализе систем управления для режимов подъёма и стабилизации. Наилучшие показатели при подъёме на высоту 4 метра за 4 секунды продемонстрировал модальный регулятор. Для режима стабилизации углового положения исследованы подходы с использованием трёхпозиционного реле и принципа максимума Понтрягина, в результате моделирования общая схема с модальными регуляторами обеспечила уход вбок всего 0,27 м за 6 с. Научная значимость работы заключается в развитии методов синтеза регуляторов для объектов с переменной массой, а практическая – в возможности применения результатов для проектирования систем управления малыми ЛА. Теоретической основой послужили исследования в области механики полёта и систем ориентации, такие как работы Д.Е. Охомицкого по основам космического полета, В.Н. Васильева по системам ориентации, Ю.Н. Золотухина по управлению угловым положением и К.Е. Шилова по управлению беспилотными аппаратами.
📖 Введение
Актуальность определяется сложностью задач стабилизации и поддержания заданной траектории полета ввиду наличия эксцентриситета реактивной силы в маршевом двигателе.
Начиная с ракет ФАУ-1 и ФАУ-2 был очень большой процент неудачных стартов, определенных несбалансированностью механической конструкции, несовершенством алгоритмов управления и ненадежностью элементов.
Также следует отметить сложность и важность задач управления. Ими занимаются даже отдельные предприятия, например, такие как НПЦАП, НПО автоматики, ЦНИИАГ, ЦНИИ Электроприбор, КБ Марс и многие другие.
Рассмотрены основные проблемы при решении задачи. Возмущение, создающее наибольшие проблемы при запуске летательного аппарата (ЛА) - это эксцентриситет. Тяга жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) доходит до сотен Ньютонов, в результате чего отклонение от вертикального движения на малый градус вызывает боковое движение, и без использования системы стабилизации ЛА спустя непродолжительное время завалит и рухнет. Решением проблемы является введение системы стабилизации углового положения, разработка которой является отдельной проблемой.
Не любая система стабилизации обеспечит удовлетворительную работу. Например, можно сделать систему стабилизации, которая не позволит ЛА завалиться, но при этом будет происходить боковое движение, а это очень часто неприемлемо. Качество работы системы стабилизации зависит от структуры и её параметров, которые необходимо грамотно выбрать. Работы в этом направлении ведутся давно, существуют наработки в виде вариантов структур систем стабилизации.
Рассматривается задача подъема ЛА на определенную высоту вблизи поверхности Земли и стабилизации его положения в автономном режиме. Оценка массы ЛА 20 кг.
Двигатели, установленные на ЛА:
1. ЖРД двигатель с дросселированием тяги, максимум которой 294,3 Н.;
2. 12 газовых двигателей ориентации, работающих в импульсном режиме.
Таким образом, цель - разработать алгоритм управления, обеспечивающий движение малого ЛА по заданной траектории.
Для этого необходимо решить задачи:
1) разработать алгоритм управления маршевым двигателем, отвечающим за набор высоты;2) разработать алгоритм управления двигателями, которые стабилизируют угловое положение малого ЛА;
3) произвести синтез регуляторов, обеспечивающих необходимые показатели качества;
4) найти оценку сигнала скорости ввиду отсутствия датчика скорости;
5) провести моделирование.
В первой главе рассмотрена механика ЛА, составлена математическая модель его элементов и представлены подходы к решению задач.
Во второй главе разобраны режимы работы и показана реализация систем управления с регуляторами после проведения синтеза.
В третьей главе проведено моделирование движения ЛА по заданной траектории отдельно по каждому режиму работы со всеми предложенными подходами, а также моделирование в общей схеме на примере модальных регуляторов.
Начиная с ракет ФАУ-1 и ФАУ-2 был очень большой процент неудачных стартов, определенных несбалансированностью механической конструкции, несовершенством алгоритмов управления и ненадежностью элементов.
Также следует отметить сложность и важность задач управления. Ими занимаются даже отдельные предприятия, например, такие как НПЦАП, НПО автоматики, ЦНИИАГ, ЦНИИ Электроприбор, КБ Марс и многие другие.
Рассмотрены основные проблемы при решении задачи. Возмущение, создающее наибольшие проблемы при запуске летательного аппарата (ЛА) - это эксцентриситет. Тяга жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) доходит до сотен Ньютонов, в результате чего отклонение от вертикального движения на малый градус вызывает боковое движение, и без использования системы стабилизации ЛА спустя непродолжительное время завалит и рухнет. Решением проблемы является введение системы стабилизации углового положения, разработка которой является отдельной проблемой.
Не любая система стабилизации обеспечит удовлетворительную работу. Например, можно сделать систему стабилизации, которая не позволит ЛА завалиться, но при этом будет происходить боковое движение, а это очень часто неприемлемо. Качество работы системы стабилизации зависит от структуры и её параметров, которые необходимо грамотно выбрать. Работы в этом направлении ведутся давно, существуют наработки в виде вариантов структур систем стабилизации.
Рассматривается задача подъема ЛА на определенную высоту вблизи поверхности Земли и стабилизации его положения в автономном режиме. Оценка массы ЛА 20 кг.
Двигатели, установленные на ЛА:
1. ЖРД двигатель с дросселированием тяги, максимум которой 294,3 Н.;
2. 12 газовых двигателей ориентации, работающих в импульсном режиме.
Таким образом, цель - разработать алгоритм управления, обеспечивающий движение малого ЛА по заданной траектории.
Для этого необходимо решить задачи:
1) разработать алгоритм управления маршевым двигателем, отвечающим за набор высоты;2) разработать алгоритм управления двигателями, которые стабилизируют угловое положение малого ЛА;
3) произвести синтез регуляторов, обеспечивающих необходимые показатели качества;
4) найти оценку сигнала скорости ввиду отсутствия датчика скорости;
5) провести моделирование.
В первой главе рассмотрена механика ЛА, составлена математическая модель его элементов и представлены подходы к решению задач.
Во второй главе разобраны режимы работы и показана реализация систем управления с регуляторами после проведения синтеза.
В третьей главе проведено моделирование движения ЛА по заданной траектории отдельно по каждому режиму работы со всеми предложенными подходами, а также моделирование в общей схеме на примере модальных регуляторов.
✅ Заключение
В ходе работы рассмотрены режим работы ЛА подъем и стабилизация с учётом переменной массы.
Изначально рассмотрен случай, когда перемещение центра масс ЛА предполагается без разворота его осей, а просто поступательно, т.е. без изменения ориентации, заведены обратные связи по скорости и высоте и введены 3 типа регуляторов: ПИ-регулятор, ПИ-каскад, модальный регулятор.
Во всех случаях получен удовлетворительный результат, но наилучший достигнут при применении модального регулятора, подняв ЛА на высоту 4 м за 4 с.
Далее рассмотрен режим стабилизации. Разобрано 3 подхода решения задачи: применение трёхпозиционного реле с модальным регулятором или ПИ-каскадом, а также подход, связанный с оптимальным управлением, используя принцип максимум Понтрягина. Каждый подход в рамках моделирования решил задачу стабилизации, но в каждом из них есть плюсы и минусы, описанные в главе 3.
Также затронут вопрос по оценке сигнала скорости. Решив поставленную задачу, проведено моделирование, в результате чего ЛА зафиксировал своё положение не на уровне 3,98 м, а на 3,96 м. Что удовлетворительно в рамках поставленной задачи.
Составлена общая схема моделирования, в которой отражены оба режима работы и получены удовлетворительные результаты, в результате уход вбок составил 0,27 м за 6 с при применении модальных регуляторов в обоих режимах работы. Приведена таблица с полученными результатами (см. табл. З.1).
Таблица З.1 – Сравнение параметров
Значение параметра согласно заданию Полученное значение параметра
Время на подъем, с 6 4
Боковое смещение, м 0,5 0,27
Перерегулирование, % 5 3
Из недостатков можно отметить то, что не учитывались все силы, например, не учтены аэродинамические силы [19]. Также не учтены возмущения от отраженного от земли потока в результате работы маршевого двигателя.
Модель ЖРД с дросселированием тяги рассмотрена в первом приближении: пренебреженно запаздывание, нестабильность тяги, характеристика приняталинейной с ограничением. Модели датчиков рассмотрены без погрешностей, математическая модель которых представляет собой 1.
В дальнейшем необходимо добавить более реальные модели датчиков и применить к ним фильтрацию [20].
Также при синтезе ПИ-регулятора и ПИ-каскада не учитывалось то, что в ПФ появляются слагаемые с ненулевой степень s. Соответственно, учтя этот факт, можно улучшить результаты, полученные при применении данных регуляторов.
Изначально рассмотрен случай, когда перемещение центра масс ЛА предполагается без разворота его осей, а просто поступательно, т.е. без изменения ориентации, заведены обратные связи по скорости и высоте и введены 3 типа регуляторов: ПИ-регулятор, ПИ-каскад, модальный регулятор.
Во всех случаях получен удовлетворительный результат, но наилучший достигнут при применении модального регулятора, подняв ЛА на высоту 4 м за 4 с.
Далее рассмотрен режим стабилизации. Разобрано 3 подхода решения задачи: применение трёхпозиционного реле с модальным регулятором или ПИ-каскадом, а также подход, связанный с оптимальным управлением, используя принцип максимум Понтрягина. Каждый подход в рамках моделирования решил задачу стабилизации, но в каждом из них есть плюсы и минусы, описанные в главе 3.
Также затронут вопрос по оценке сигнала скорости. Решив поставленную задачу, проведено моделирование, в результате чего ЛА зафиксировал своё положение не на уровне 3,98 м, а на 3,96 м. Что удовлетворительно в рамках поставленной задачи.
Составлена общая схема моделирования, в которой отражены оба режима работы и получены удовлетворительные результаты, в результате уход вбок составил 0,27 м за 6 с при применении модальных регуляторов в обоих режимах работы. Приведена таблица с полученными результатами (см. табл. З.1).
Таблица З.1 – Сравнение параметров
Значение параметра согласно заданию Полученное значение параметра
Время на подъем, с 6 4
Боковое смещение, м 0,5 0,27
Перерегулирование, % 5 3
Из недостатков можно отметить то, что не учитывались все силы, например, не учтены аэродинамические силы [19]. Также не учтены возмущения от отраженного от земли потока в результате работы маршевого двигателя.
Модель ЖРД с дросселированием тяги рассмотрена в первом приближении: пренебреженно запаздывание, нестабильность тяги, характеристика приняталинейной с ограничением. Модели датчиков рассмотрены без погрешностей, математическая модель которых представляет собой 1.
В дальнейшем необходимо добавить более реальные модели датчиков и применить к ним фильтрацию [20].
Также при синтезе ПИ-регулятора и ПИ-каскада не учитывалось то, что в ПФ появляются слагаемые с ненулевой степень s. Соответственно, учтя этот факт, можно улучшить результаты, полученные при применении данных регуляторов.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.